不同黏土矿物对岩石相似材料性质的影响

崔远, 薛雷, 许超, 董金玉, 杨继红, 赵海溪

(1. 中国科学院地质与地球物理研究所， 中国科学院页岩气与地质工程重点实验室， 北京 100029； 2. 中国科学院地球科学研究院， 北京 100029； 3. 中国科学院大学地球与行星科学学院， 北京 100049； 4. 华北水利水电大学地球科学与工程学院， 郑州 450046)

岩石作为一种相对复杂的天然非均质地质材料，在长期受水浸泡后，其内部颗粒间的摩擦系数和黏聚力会逐渐减小，同时伴随孔隙、裂隙的产生，由此导致其强度和刚度等力学性质发生劣化。为此，许多学者研究了诸如石灰岩、砂岩和花岗岩等在水岩相互作用下的劣化效应和机制，为揭示水岩作用下岩石损伤机制奠定了基础。Tang等[1]通过干湿循环试验研究了水岩作用对红砂岩剪切蠕变特性的影响；Qiao等[2]研究了不同酸碱度水溶液对砂岩试样的影响；朱明礼等[3]通过循环加卸载试验研究了风化程度对黑云母花岗岩的动力特性；李男等[4]研究了水岩作用对砂岩蠕变应变量、应变速率和蠕变破坏强度的影响；邓华锋等[5]通过循环加卸载和浸泡-风干循环水岩作用试验，揭示了水岩作用下砂岩的损伤演化规律；Liu等[6]认为水力围压对岩石蠕变特性具有显著影响；于怀昌等[7]分别对干燥与饱水状态下的粉砂质泥岩进行了三轴压缩应力松弛试验，揭示了水对岩石非线性应力松弛损伤模型参数的影响；黄智刚等[8]发现泥质板岩的单轴抗压强度、弹性模量随吸水时间增大而减小；陈光波等[9]发现水岩作用对煤岩组合体的劣化效应是从微观到宏观的损伤累积过程。然而，仅靠对实验室尺度原岩试样的研究难以提升人们对诸如隧道开挖、煤层开采及滑坡灾变预测等大尺度工程所面临的水岩作用这一难题的全面认识，因此很多学者开始采用地质力学模型相似试验方法来分析此类问题。

地质力学模型试验是基于相似理论，通过不同类型的相似材料来模拟不同工况下的岩土性质，进而通过试验现象来类比实际案例，其成功与否的关键在于相似材料的选取。自地质力学模型试验发展以来，国内外学者对岩土体相似材料的研制进行了大量研究，Glushikhin等[10]将岩石相似材料分为铅氧化物与石膏混合料和环氧树脂、重晶石粉与甘油混合料两大类；韩伯鲤等[11]采用铁粉、重晶石粉、红丹粉、松香和石蜡等材料，研制了具有高容重、低弹模、低强度等特点的MIB材料；马芳平等[12]利用矿粉、河砂、水泥等材料，研发了一种新型的NIOS地质力学模型材料；张强勇等[13-14]利用铁矿粉、重晶石粉、石英砂、石膏粉和松香酒精溶液，研制出一种新型铁晶砂胶结岩土材料，并得到了推广应用[15]；史小萌等[16]研制了以水泥、石膏为胶结剂，石英砂和重晶石粉为骨料的岩石相似材料，该材料与天然岩石的结构及破坏方式较为接近；陈雨志等[17]以粗粒石英砂、细粒石英砂、粗河沙、细河沙、石膏和膨润土为原料，研究了不良填筑路基在降雨条件下变形破坏机制；王昊统等[18]以河砂、水泥和石膏为原料，研发了可模拟不同风化程度粗粒花岗岩的相似材料；朱权威等[19]利用不同级配石英砂，水泥和石膏研制了三峡库区岩质滑坡离心模拟实验中所需的黏结材料。

需强调的是，以往相似材料的研究多关注于其物理力学性质，而较少涉及其水理性质，这就导致当研究原型涉及复杂水岩作用时，基于未考虑水理性质的常规相似材料进行物理模型试验难以满足研究需求。例如，以水泥、石膏和石英砂为原料的常规相似材料，在一定配比和养护条件下具有与岩石相似的物理力学性质，在滑坡失稳机制等物理模型试验中得到了广泛的应用，但由于其遇水不易崩解[20]，且难以在自重作用下发生变形失稳破坏，因此无法适用于水岩相互作用导致岩石强度劣化致使边坡失稳启滑案例的物理模型试验研究。因此，在研发岩石相似材料时，除了关注其物理力学性质外，对其水理性质的研究亦极为关键。

基于此，以石英砂和重晶石粉为骨料，水泥和石膏为胶结材料，依据黏土矿物遇水劣化的特征，分别以膨润土、伊利石粉和高岭土3种黏土矿物作为水敏性调节剂材料研制了不同类型的岩石相似材料，研究了不同黏土矿物类型和不同掺入量对岩石相似材料物理力学性质与水理性质的影响，旨在为研制适用于开展水岩相互作用的物理模型试验相似材料提供参考。

1 试验方案

1.1 材料选择

参照史小萌等[21]的研究，本次试验以重晶石粉、石英砂为骨料，以水泥、石膏为胶结材料，以水敏性较强的膨润土、伊利石粉以及高岭土为水敏性调节剂，相关材料参数如表1所示，不同类型黏土矿物的X射线衍射图如图1所示。

表1 相似材料原料参数Table 1 The material parameters of similar materials

图1 不同黏土矿物X射线衍射图Fig.1 X-ray diffraction diagram of different clay minerals

1.2 实验方案

以骨胶比4∶1、水胶比1∶1、黏土矿物掺入量为0的配比方案作为基础对照组，通过调节黏土矿物类型及掺入量等因素，采用单因素控制法深入分析了不同黏土矿物在不同掺入量条件下对相似材料试样物理力学性质与水理性质的影响。本试验共10组，每组10个平行试样，分别用于单轴压缩、直剪和水理性试验，具体配比方案如表2所示。需指出的是，传统水泥石膏胶结相似材料通常依据实验经验将掺水量确定为试样质量的10%[22]，但考虑到水敏性材料的加入，必然会对掺水量更为敏感，根据之前开展的掺水量对相似材料物理力学参数影响的研究，知含有水敏性材料的水泥石膏胶结物的最佳掺水量约为11%，故本次试验方案所选择掺水量为11%。

表2 黏土矿物占固体质量比值试验方案Table 2 Bentonite to solid mass ratio experimental scheme

1.3 制作工艺

本试验采用标准三瓣钢模具制作φ50 mm×100 mm和φ50 mm×50 mm两类标准圆柱形试样，在试样制作过程中加入了2%的石膏缓凝剂以调控凝结时间，详细的制作工艺可按下列步骤进行(图2)。

图2 材料准备及制作工艺Fig.2 Material preparation and sample making process

第一步：准备原材料，清洗钢制模具并在其内表面涂抹一层润滑油，以便脱模。

第二步：将原材料按试验配比方案称重后倒入搅拌盆内充分搅拌均匀，然后将水溶液加入均匀干料中，再次搅拌、过筛，得到均匀湿料。

第三步：将均匀湿料，分3层倒入钢制模具内，并在分层处刻制划痕，防止试样出现明显分层现象，填充完成后置于液压脱模仪上进行压实，静置5 min后卸压，以防止试样产生较大回弹。

第四步：卸压后的试样静置20～30 min，待试样成型稳定后拆模。

第五步：在试样表面贴上标签，放置在常温下干燥条件下养护8～10 d。

第六步：养护完成的试样通过压、切、磨等工序, 加工成两端面平行度≤0.002 mm，垂直度≤±0.1 mm/100 mm，表面平整度≤±0.1 mm/100 mm的标准试样。

1.4 试验设备及试验方法

试验设备采用图3所示微机控制电液伺服压力试验机(YAW6206)，其可进行岩石的单轴压缩试验和双面剪切试验等，轴向最大载荷2 000 kN, 加载速率0.4～40 kN/s，上下压板间最大距离为600 mm，可采用力、位移、轴向应变、横向应变控制方式，测试的精度高，性能稳定。本次试验采用位移加载控制方式，其加载速率为0.5 mm/min。

图3 试样力学参数测试Fig.3 Mechanical parameter test of specimens

2 试验结果分析

按照《工程岩体试验方法规范》(GB/T 50266—2013)、《岩土工程试验方法规范》(GB/T 50123—2019)的要求，对10组不同配比材料的试样分别进行了密度、单轴抗压强度、弹性模量、黏聚力、内摩擦角等物理力学参数的测试，结果见表3。结果表明：相似材料的密度分布均匀，集中在2.00 g/cm3附近，最大密度为2.10 g/cm3，最小密度为1.99 g/cm3，二者仅相差0.11 g/cm3；抗压强度分布在11.66～25.91 MPa，弹性模量分布在1.44～6.62 GPa，内摩擦角分布在16.83°～64.93°，黏聚力分布在2.54～8.66 MPa，其物理力学参数分布范围广，能满足岩石相似试验的需求。

表3 相似材料配比试验结果Table 3 Experiment results of similar material ratio

2.1 物理力学参数敏感性分析

2.1.1 密度

待试样在常温下质量稳定后，首先将10组不同配比材料试样打磨至接近标准圆柱体，并用精度分别为0.01 mm、0.01 g的游标卡尺和电子天平测量其几何尺寸及质量，通过计算获得试样密度，如图4所示。

图5直观地展示了各变量对密度的影响程度，可看出：虽然试样密度整体集中在2.00 g/cm3附近，相差不大，但依然存在一定的规律，即增大黏土矿物质量占比后，试样的密度总体会有明显的下降趋势，主要是由于黏土矿物的重度相对于重晶石粉和石英砂偏低所致；同时，3种黏土矿物在相同质量占比情况下，含有高岭土的试样密度会高一些。

2.1.2 单轴抗压强度

图6为相似材料试样(编号3)单轴压缩下的应力-应变曲线，其呈现出典型的5个阶段，即压密阶段(Ⅰ)、弹性变形阶段(Ⅱ)、裂纹稳定扩展阶段(Ⅲ)、裂纹非稳定扩展阶段(Ⅳ)和峰后阶段(Ⅴ)，这说明该相似材料试样具有良好的弹塑性，与天然岩体典型的破坏特征高度相似，可较好反映天然岩体的力学特性。

图6 试样单轴压缩应力-应变曲线Fig.6 Stress-strain curve of the sample under uniaxial compression

图7为不同配比方案试样的单轴抗压强度敏感性分析图，可看出：随着不同黏土矿物掺入量的增大，试样单轴抗压强度均呈现降低趋势，这主要是因为黏土矿物吸水性较好，且随着黏土矿物掺入量的持续增加，水泥在发生水化反应时需要的水量相应提高，这就导致试样内部裂隙数量和尺寸增加，在固化泥浆内部形成大量孔隙，削弱了结构密实度，进而导致材料的单轴抗压强度降低[23]，这也说明了黏土矿物掺入量对于试样抗压强度起主要控制作用；此外，含有高岭土的试样强度通常远高于含有伊利石粉和膨润土的试样，而掺入膨润土试样的强度与初始强度相比，降幅最大。

图7 水敏材料类型和含量对单轴抗压强度敏感性的影响Fig.7 Effect of types and proportions of water-sensitive materials on the uniaxial compressive strength sensitivity

2.1.3 弹性模量

图8为不同配比方案试样的弹性模量敏感性分析图，可看出：加入膨润土和伊利石粉后，试样的弹性模量出现明显下降的现象，尤其是含有膨润土的试样，其弹性模量降幅超过近70%，这说明膨润土对材料弹性模量的敏感程度要高于伊利石粉和高岭土，能够很好地调节试样的弹性模量；当不同黏土矿物掺入量相同时，含有膨润土、伊利石粉和高岭土的试样弹性模量依次增加，这主要是由于蒙脱石实一种多裂隙性结构材料[24]，其作为膨润土的主要成分，在试样养护期会产生大量微裂缝导致材料孔隙率增大，从而降低了相似材料弹性模量。

图8 水敏材料类型和含量对弹性模量敏感性的影响Fig.8 Effect of types and proportions of water-sensitive materials on the elastic modulus sensitivity

2.1.4 抗剪强度指标

相似材料试样的抗剪强度指标通过双面直剪仪进行测定，结果示于图9，可看出：增加黏土矿物后，试样黏聚力出现大幅降低，而内摩擦角明显增大，这说明黏土矿物的加入对试样抗剪强度的变化有着显著的影响；且随着膨润土掺入量增加，试样保持黏聚力降低、内摩擦角增大的趋势，当伊利石粉与高岭土掺入量继续增大后，黏聚力出现先降低后增大的规律，这主要是因为超磨细伊利石粉和高岭土能够以微集料的形式填充于其他粗骨料的孔隙内，能够促使相似材料的结构更加致密，进而提高材料的黏聚力。

图9 水敏材料类型和含量对抗剪强度敏感性的影响Fig.9 Effect of types and proportions of water-sensitive materials on the shear strength sensitivity

2.2 水理性质分析

2.2.1 吸水率

吸水率是反映岩石水理特性的重要指标。本试验对在自然状态下养护10 d的试样进行称重获得其天然质量m0，然后将其置于105°的烘箱中烘干24 h获得其烘干质量md，再将烘干后的试样置于清水中浸泡48 h，获得试样浸水48 h质量ma，从而计算岩石天然含水率ω0、吸水率ωa，计算公式为

(1)

由表4所示计算结果可以看出，含有黏土矿物的相似材料试样天然含水率为3.42%～8.75%，吸水率为11.07%～13.52%，且含有膨润土的试样出现明显的崩解现象，无法测量其吸水率。相似材料吸水率相较于原岩明显偏高，后者吸水率一般在1%～10%[25]，这主要是由于含黏土矿物的相似材料所吸收的水，除了一部分用于充填内部孔隙外，还有很大一部分是被黏土矿物、水泥和石膏所吸附。此外，不同岩土矿物的含水率和吸水率也各不相同，其中含有膨润土相似材料的试样含水率明显高于不含黏土矿物的试样，且随着膨润土掺入量的增加，试样天然含水率呈上升趋势，与之相反的是，含有伊利石粉和高岭土相似材料的试样含水率低于不含黏土矿物的试样，且试样含水率随矿物成分增加呈下降趋势。

表4 试样吸水率试验结果Table 4 Experimental results of water absorption of samples

2.2.2 崩解性

崩解是反映岩石遇水劣化特性的一个重要特征。岩石的崩解会呈现出碎屑状、颗粒状、泥状以及破块状等不同形式。岩石相似材料试样的崩解是否发生与试样的矿物成分、粒度的构成及胶结形式等密切相关。为研究岩石相似材料崩解性质，采用φ50 mm×50 mm的圆柱试样进行崩解试验。为方便观察试样在崩解过程中的变化，将其置于装满水的透明玻璃钢内，试验具体崩解过程(图10)如下。

图10 相似材料试样崩解性试验Fig.10 Disintegration test of similar material samples

(1)相似材料试样浸水1 h后，含有膨润土的试样出现明显裂纹，且其掺入量较高试样开始出现崩落，而含有伊利石粉和高岭土的试样基本无变化，试样仍较完整。

(2)浸水48 h后，掺入量为20%、25%的膨润土试样出现不同程度的崩解，但试样仍处于相对完整的状态，此时含有伊利石粉和高岭土的试样，变化依旧不明显，仅出现部分的颗粒散落。在浸水全过程，黏土矿物掺入量为0的试样，基本无变化。(3)对浸水48 h后的试样进行烘干处理，获取各组试样的耐崩解指数，其中掺入量为20%、25%的膨润土试样，其耐崩解指数分别为0.91、0.83，其他各组均在0.95以上，且黏土矿物掺入量为0的试样耐崩解指数最高，达到0.99。

综上可知，黏土矿物的掺入量对相似材料的崩解性影响显著，尤其是含有膨润土的试样，遇水崩解效果最为明显，更适合作为研究水岩相互作用的物理模型试验相似材料的水敏性调剂。

3 结论

通过分析膨润土、伊利石粉和高岭土3种黏土矿物对物理模型试验相似材料试样物理力学性质与水理性质的影响，得出了以下结论。

(1)黏土矿物类型与掺入量对岩石相似材料的物理力学性质有着显著影响。随着黏土矿物的添加，试样的密度、抗压强度、弹性模量以及黏聚力显著降低，内摩擦角增大，其中膨润土对相似材料试样物理力学性质的影响最为显著。

(2)不同黏土矿物对岩石相似材料试样水理性质的影响区别较大，其中含有膨润土试样的吸水率及崩解性均敏感于伊利石粉和高岭土，更适合作为研究水岩相互作用的物理模型试验相似材料的水敏性添加剂。

上述认识可为研制适用于开展水岩相互作用的物理模型试验相似材料提供参考，有望满足更多物理模型试验需求，如考虑水致强度劣化的滑坡物理模型试验。